激光背向濕式刻蝕聚合物研究

激光背向濕式刻蝕聚合物研究=摘要隨著制造技術(shù)日益發(fā)展，制造加工的精度逐步趨于微米級(jí)甚至是納米級(jí)，在精密制造領(lǐng)域中，激光加工成為主要方式之一。傳統(tǒng)的激光加工以干式燒蝕加工為主，但此方法加工后的堆積物粘結(jié)在通道周圍，嚴(yán)重影響加工表面質(zhì)量，熱影響區(qū)和熱應(yīng)力較大，容易產(chǎn)生脆性裂紋。現(xiàn)在主要以激光輔助改性化學(xué)刻蝕和液體輔助激光加工為主。其中激光輔助改性化學(xué)刻蝕雖可以加工出較大長(zhǎng)度的微通道，但是刻蝕時(shí)間較長(zhǎng)并對(duì)加工材料本身會(huì)形成刻蝕損傷，又因?yàn)榧す鉄g透明電介質(zhì)材料的過(guò)程中產(chǎn)生碎屑，在空氣中，激光燒蝕材料產(chǎn)生的碎屑達(dá)到一定深度時(shí)則很難排出去，液體輔助激光加工使得等離子體和碎屑被液體帶離加工區(qū)域，保證加工的持續(xù)進(jìn)行。故液體輔助激光加工成為首先選擇的加工方法。本課題選用液體輔助激光加工中的激光背向濕式刻蝕方法，通過(guò)深入學(xué)習(xí)背向濕式刻蝕的原理，運(yùn)用1064nm納秒激光器，基于背向濕式刻蝕技術(shù)并以飽和的CuSO4溶液作為工作液體，在聚合物PMMA上制備出表面微結(jié)構(gòu)，并探究激光加工工藝參數(shù)與微結(jié)構(gòu)的關(guān)系。關(guān)鍵詞：精密制造，激光加工，聚合物微通道，液體輔助激光加工，激光背向濕式刻蝕AbstractWiththedevelopmentofmanufacturingtechnology,theprecisionofmanufacturingprocessingisgraduallybecomingmicronorevennanometer.Inthefieldofprecisionmanufacturing,laserprocessinghasbecomeoneofthemainmethods.Thetraditionallaserprocessingismainlydryablationprocessing,butthedepositedmaterialafterthemethodisbondedaroundthechannel,whichseriouslyaffectsthequalityoftheprocessingsurface,theheat-affectedzoneandthethermalstressarelarge,andbrittlecracksareeasilygenerated.Nowmainlylaser-assistedmodifiedchemicaletchingandliquid-assistedlaserprocessing.Amongthem,laser-assistedmodifiedchemicaletchingcanprocesslarge-lengthmicro-channels,buttheetchingtimeislongandtheetchingoftheprocessingmaterialitselfwillbeformed,andthechipswillbegeneratedduringtheprocessoflaserablationofthetransparentdielectricmaterial.Intheair,whenthedebrisgeneratedbythelaserablationmaterialreachesacertaindepth,itisdifficulttodischarge.Theliquid-assistedlaserprocessingcausestheplasmaanddebristobecarriedawayfromtheprocessingareabytheliquidtoensurethecontinuousprocessing.Therefore,liquid-assistedlaserprocessinghasbecomethefirstchoiceofprocessingmethod.Thissubjectselectsthelaser-induced-back-wetting-etching(LIBWE)methodinliquid-assistedlaserprocessing.Bydeeplystudyingtheprincipleofback-wetetching,1064nmnanosecondlaserisused,basedonwetbackengravingtechnologyandsaturatedCuSO4solutionasworkingliquid.SurfacemicrostructureswerepreparedonthepolymerPMMAandtherelationshipbetweenlaserprocessingparametersandmicrostructurewasinvestigated.Keywords：PrecisionManufacturing,LaserProcessing,PolymerChannel,Liquid-assistedLaserProcessing,Laser-backside-wet-etching目錄TOC\o"1-3"\h\u1緒論 11.1題目背景及目的 11.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.3題目研究方法 41.4論文構(gòu)成及研究?jī)?nèi)容 42激光背向濕式刻蝕的原理及研究方法 52.1激光刻蝕原理 52.2液體輔助激光加工原理 72.3激光背向濕式刻蝕的原理 83實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)裝置 103.1實(shí)驗(yàn)材料及其特性 103.1.1PMMA材料特性 103.1.2輔助液體特性 113.2實(shí)驗(yàn)裝置 133.3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法 154激光背向濕式刻蝕聚合物實(shí)驗(yàn)研究 164.1實(shí)驗(yàn)參數(shù)確定和實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備 164.1.1激光平均功率的選擇 164.1.2掃描速度的選擇 174.1.3重復(fù)頻率的選擇 194.1.4激光脈沖寬度的選擇 204.1.5加工次數(shù)的選擇 214.1.6液膜厚度的確定 224.2激光加工參數(shù)影響 224.2.1激光功率對(duì)通道結(jié)構(gòu)的影響 234.2.2掃描速度對(duì)通道結(jié)構(gòu)的影響 244.2.3加工次數(shù)對(duì)通道結(jié)構(gòu)的影響 254.3輔助液體的影響 274.4溫度的影響 284.5空泡產(chǎn)生和塌陷的影響 294.6焦距變化對(duì)背向刻蝕的影響 29結(jié)論 33參考文獻(xiàn) 35致謝 381緒論1.1題目背景及目的自20世紀(jì)以來(lái)，由于微觀世界規(guī)律的基礎(chǔ)科學(xué)理論不斷發(fā)展，加工制造精度的微米級(jí)、納米級(jí)的出現(xiàn)，精密制造技術(shù)成為提升國(guó)家綜合國(guó)力的主要因素之一。在過(guò)去傳統(tǒng)微納制造工藝的方法中，主要以機(jī)械加工、化學(xué)刻蝕和激光干式加工為主。其中機(jī)械加工不僅是最早用于精密制造的技術(shù)，也是應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一。機(jī)械加工主要是通過(guò)金屬刀具切割工件加工出微納結(jié)構(gòu)，雖然該方法簡(jiǎn)便迅速，但是容易使材料產(chǎn)生裂紋甚至碎片，特別是在十字形切槽交叉點(diǎn)上應(yīng)力最大，刀具的磨損也很嚴(yán)重，所以該方法已經(jīng)不適用于大尺寸、超精密的工件加工[1]?；瘜W(xué)刻蝕也是比較常用的方法，主要應(yīng)用于芯片制造和微流通道加工?；瘜W(xué)刻蝕主要以濕法刻蝕為主。濕法腐蝕主要以氫氟酸液體與基片（例如二氧化硅）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在所確定的區(qū)域腐蝕出通道，但是氫氟酸反應(yīng)速度非?？?，并不能準(zhǔn)確控制，進(jìn)而導(dǎo)致極易腐蝕其邊緣部分，加工出的通道形狀效果并不精準(zhǔn)，故而其方法的精確度較差；除此而外，在此操作過(guò)程中存在極大的安全隱患，氫氟酸具有極強(qiáng)毒性和腐蝕性，而且極易揮發(fā)，很容易對(duì)人體造成巨大的危害，并對(duì)環(huán)境造成污染?；瘜W(xué)刻蝕方法對(duì)環(huán)境的要求較高，需要在無(wú)雜志顆粒的超凈間的環(huán)境中完成，此條件實(shí)現(xiàn)難度較大，此外現(xiàn)有的傳統(tǒng)工藝都要求制備掩膜版，故其每工藝一步的操作周期較長(zhǎng)以及加工工藝較為繁瑣和復(fù)雜。近些年在微納加工制造以及精密制造領(lǐng)域中，激光加工技術(shù)越來(lái)越凸顯其重要的作用。由于激光加工具有操作簡(jiǎn)單、工作效率高、高能量聚集度、高精度和在時(shí)間、空間和能量方面具有精確控制能力，使得激光在微納制造和光學(xué)器件加工領(lǐng)域具有突出性優(yōu)勢(shì)。激光干式加工是先如今常用于加工微結(jié)構(gòu)的主要方法，效率明顯高于化學(xué)腐蝕法。但是加工后的堆積物容易粘結(jié)在通道周圍，嚴(yán)重影響加工表面質(zhì)量；由于該方法是以熱加工為主，進(jìn)而產(chǎn)生的熱影響區(qū)和熱應(yīng)力較大，容易產(chǎn)生脆性裂紋；對(duì)于切割較厚的材料，激光加工的效率低[1]。現(xiàn)在微結(jié)構(gòu)的制備主要以激光輔助改性化學(xué)刻蝕和液體輔助激光加工為主，其中激光輔助改性化學(xué)刻蝕主要應(yīng)用在石英玻璃和光敏玻璃兩種，藍(lán)寶石等其他一些透明材料。通過(guò)激光直寫加工出為通道，再經(jīng)過(guò)熱處理工藝獲得致密結(jié)構(gòu)，運(yùn)用化學(xué)腐蝕劑（HF溶液為主）刻蝕通道[2]。雖然可以加工出較大長(zhǎng)度的微通道結(jié)構(gòu)，但是刻蝕時(shí)間較長(zhǎng)、制得的微通道結(jié)構(gòu)一般存在錐度，且對(duì)加工材料本身會(huì)形成刻蝕損傷[2]。液體輔助激光加工相比于激光輔助改性化學(xué)刻蝕，不能加工出大而深的通道結(jié)構(gòu)，但是該方法有利于碎屑排除，得到加工質(zhì)量高且表面光潔的微通道[2]。故本文選用液體輔助激光加工中的激光背向濕式刻蝕法制備高質(zhì)量的微結(jié)構(gòu)，并探究加工工藝參數(shù)與通道特征的關(guān)系。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀激光背向濕式刻蝕的方法在國(guó)內(nèi)外的研究中多用于玻璃等透明材料（例如SiO2、藍(lán)寶石玻璃）或半導(dǎo)體材料（Si）加工，用于刻蝕聚合物方面的研究較少。廣東工業(yè)大學(xué)的謝小柱教授多年從事激光背向濕式刻蝕機(jī)理的研究。曾使用1064nm紅外脈沖激光背向濕式刻蝕藍(lán)寶石玻璃加工溝槽，以CuSO4溶液作為輔助液體，對(duì)激光背向濕式刻蝕藍(lán)寶石的加工工藝進(jìn)行研究，并利用激光共聚焦顯微鏡對(duì)所加工溝槽表面的形貌結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)運(yùn)用控制變量實(shí)驗(yàn)法研究了脈沖激光能量與掃描速度、加工次數(shù)、輔助液體濃度以及液膜厚度對(duì)溝槽結(jié)構(gòu)和溝槽質(zhì)量的影響規(guī)律[3]。實(shí)驗(yàn)表明使用20%的飽和CuSO4溶液，在0.5-0.9J/mm的線密度能量下掃描8次，并使用430-1440μm的液層厚度有利于提高激光誘導(dǎo)液相沉積量，加大激光劃切深度，獲得質(zhì)量較好的劃槽[3]。謝小柱教授還對(duì)激光背向濕式刻蝕過(guò)程中工作液體進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)的研究，研制了一種新型的高穩(wěn)定性且高活性的混合溶液，其混合溶液為：硫酸銅的質(zhì)量濃度為28g/L、次磷酸鈉的質(zhì)量濃度為40g/L、氨水的質(zhì)量濃度為45g/L、pH值為12[4]。在相同的加工條件下，采用硫酸銅溶液和混合溶液作為輔助液體對(duì)藍(lán)寶石進(jìn)行加工，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，藍(lán)寶石在混合溶液中的加工效率是硫酸銅溶液中的5倍左右。此研究對(duì)提高低功率激光作用下藍(lán)寶石的加工效率有一定的指導(dǎo)意義[4]。Ji-YenCheng，Wei-ChenKao，MansourehZ.Mousavi[5]等人利用可見光激光進(jìn)行刻蝕聚合物材料的實(shí)驗(yàn)研究。他們通過(guò)運(yùn)用532nm低功率且經(jīng)濟(jì)的納秒激光（綠光激光），運(yùn)用激光誘導(dǎo)背向濕式刻蝕的方法，頻率分別在1KHz和30KHz對(duì)聚合物PMMA材料進(jìn)行加工，獲得了通紅外激光和紫外激光同樣的高質(zhì)量微通道，并提出低粘性和高濕性的輔助液體（例如KMnO4溶液）會(huì)對(duì)可見光波具有更大的吸光性，同時(shí)還得出背向濕式的方法會(huì)刻蝕出更深的溝槽。這對(duì)未來(lái)研究運(yùn)用低功率的可見光激光加工聚合物材料刻蝕微通道具有深遠(yuǎn)的影響和極高的參考價(jià)值。T.Efthimiopoulos，H.Kiagias，S.Christoulakis，N.Merlemis[6]等人運(yùn)用XeCl準(zhǔn)分子激光，通過(guò)背向濕式的方法刻蝕聚合物，研究空泡產(chǎn)生和坍塌。在相同的激光脈沖持續(xù)時(shí)間或脈沖并根據(jù)激光脈沖能量膨脹和聚集，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了一個(gè)小的云在表面氣泡附近不對(duì)稱，當(dāng)達(dá)到臨界體積時(shí)，每個(gè)氣泡在高壓和溫度中心點(diǎn)處坍塌并反彈，在聚合物的未照射區(qū)域上噴射熱噴射的材料并在表面上產(chǎn)生凹坑。K.Zimmer，R.Bo¨hme，D.Ruthe，B.Rauschenbach[7]對(duì)利用激光誘導(dǎo)背向濕式刻蝕基地材料的表面改性影響的研究，他們使用KrF準(zhǔn)分子激光器在石英玻璃進(jìn)行背向刻蝕，發(fā)現(xiàn)在刻蝕過(guò)程中與液體接觸面會(huì)極易增加溫度，并迅速達(dá)到材料的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)，從而增強(qiáng)材料的吸收性和刻蝕效率。Liao等利用液體輔助激光加工方法，首次使用一種多孔玻璃作為加工材料，通過(guò)該方法在多孔玻璃內(nèi)部得到任意長(zhǎng)度和形狀的微流通道。在水作為輔助液體進(jìn)行微通道加工的工作中，由于激光刻蝕到一定深度后燒蝕碎屑無(wú)法順利排出致使通道阻塞從而加工終止，在多孔玻璃中加工時(shí)，水除了可以從通道中流入燒蝕區(qū)域并帶走碎屑，也可以從微孔網(wǎng)絡(luò)流入，因而可以得到任意長(zhǎng)度和形狀的微通道[2]。Gian-LucaRoth，CemalEsen，RalfHellmann[8]等人利用飛秒激光在聚合物材料PMMA內(nèi)部加工圓柱型三維通道。G.-L.Roth，C.Esen，R.Hellmann[9]等人利用飛秒激光在PMMA內(nèi)部加工微流通道，探究激光波長(zhǎng)對(duì)微流通道的影響，并通過(guò)改變激光聚焦物鏡的數(shù)值孔徑大小來(lái)控制通道的深寬比，進(jìn)而得到不同形貌的通道。SteffenHessler，ManuelRosenberger，BernhardSchmauss，RalfHellmann[10]等人使用KrF準(zhǔn)分子激光器探究激光對(duì)透明聚合物材料折射率對(duì)刻蝕溝槽的結(jié)構(gòu)的影響。1.3題目研究方法本課題選用1064nm的紅外脈沖納秒激光器，通激光誘導(dǎo)背向濕式刻蝕的機(jī)理，以飽和的CuSO4溶液作為輔助液體，在聚合物PMMA上加工出微流通道，運(yùn)用控制變量的單一因素的實(shí)驗(yàn)方法，再利用激光共聚焦顯微鏡和電子顯微鏡測(cè)量并觀察出溝槽的寬度和深度特性，探究激光功率、掃描速度、激光頻率、加工次數(shù)對(duì)通道結(jié)構(gòu)特性的影響規(guī)律，進(jìn)而得出夠刻蝕出表面質(zhì)量高且光潔的微通道的激光加工參數(shù)。1.4論文構(gòu)成及研究?jī)?nèi)容本論文主要通過(guò)敘述傳統(tǒng)加工微流通道的背景得出選用激光背向濕式刻蝕聚合物的原因和目的；其次簡(jiǎn)述激光加工原理、液體輔助激光加工原理以及激光背向濕式刻蝕的機(jī)理，從而作為實(shí)驗(yàn)的理論依據(jù)和基礎(chǔ)原理；再說(shuō)明實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案，體現(xiàn)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作流程；再通過(guò)確定實(shí)驗(yàn)參數(shù)，探究激光功率、掃描速度、激光頻率、加工次數(shù)對(duì)通道結(jié)構(gòu)特性的影響規(guī)律，最后得出在激光背向濕式刻蝕原理下，怎樣的激光加工參數(shù)能夠刻蝕出表面高質(zhì)量微通道的結(jié)論。

2激光背向濕式刻蝕的原理及研究方法2.1激光刻蝕原理激光在基底材料刻蝕溝槽通過(guò)激光高能量密度的特性，使其聚焦在材料表面，由于高能量使得材料表面溫度迅速升高，在高溫的條件下，材料軟化并開始熱降解，隨著溫度的不斷升高，材料內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)被破壞，分子鏈斷裂，并伴隨著一系列的物理化學(xué)反應(yīng)（如圖2.1）。圖2.1激光刻蝕原理激光在基底材料上以一定的掃描速度加工出微通道，由于激光的能量強(qiáng)度為高斯分布，相當(dāng)于高斯型分布的能量密度與基底材料相互作用的結(jié)果。假設(shè)激光加工過(guò)程中所產(chǎn)生的碎屑等熔化物質(zhì)對(duì)刻蝕出的溝道不產(chǎn)生任何影響；且切除表面的熱傳導(dǎo)方向?yàn)榉ǚ较?；激光能量束的高斯分布為：?.1）其中，P代表激光功率，R代表激光光斑直徑。根據(jù)能量守恒定律，激光產(chǎn)生的能量應(yīng)等于與基地材料相互作用所產(chǎn)生的能量以及基地材料發(fā)生分解向外產(chǎn)生的熱量。（2.2）其中，ρ代表密度，v代表激光加工速度，Cp代表定壓比熱，Ts代表激光加工時(shí)材料表面溫度，To代表材料隨處的環(huán)境溫度，L表示材料發(fā)生分解所向外產(chǎn)生的熱量，a代表材料對(duì)激光光束的吸收率，△D表示激光一次加工的深度。當(dāng)y=0時(shí)，激光加工一次的最大深度為：（2.3）則激光加工基地材料的側(cè)截面表達(dá)式為：（2.4）其中λ為激光加工次數(shù)。（激光刻蝕物理模型如圖2.2）圖2.2激光刻蝕物理模型2.2液體輔助激光加工原理在激光刻蝕透明電介質(zhì)材料的過(guò)程中，基底材料會(huì)先吸收激光光束中光子的能量，使其成為具有金屬特性的吸收型等離子體，隨著激光加工溝槽的過(guò)程中，與等離子體不斷相互作用進(jìn)而導(dǎo)致碎屑的產(chǎn)生。在激光所加工的通道具有一定深度時(shí)，激光刻蝕透明材料所產(chǎn)生的等離子體和碎屑在空氣中非常難去除，且會(huì)堆積在通道周圍，從而降低表面質(zhì)量。所以，在液體輔助激光加工基底材料的過(guò)程中，通過(guò)輔助液體對(duì)激光的吸收性影響，將激光與透明材料所產(chǎn)生的碎屑和等離子體帶離加工區(qū)域，從而保證加工持續(xù)進(jìn)行。液體輔助激光加工的過(guò)程中，一般從透明材料的下表面開始自下而上進(jìn)行加工。若從材料上表面開始加工，則激光脈沖會(huì)持續(xù)受到加工過(guò)程的影響，從而極易達(dá)到材料的燒蝕閾值，表面質(zhì)量大大下降；而從下表面開始加工，則會(huì)吸收激光透過(guò)材料在其下表面所產(chǎn)生持續(xù)一致的光斑大小的能量（如圖2.3所示）。圖2.3液體輔助激光加工原理液體輔助激光加工方法有：液體輔助激光正面加工、激光背向濕式刻燭加工、微水刀激光加工等。該方法所用的輔助液體一般為蒸餾水或去離子水，輔助液體的黏性對(duì)于微通道的加工有很大影響，當(dāng)使用的輔助液體的黏度越高時(shí)，加工得到的微通道長(zhǎng)度越短，形狀也越差。液體輔助激光加工的加工材料主要為石英等透明玻璃材料，以及一些有機(jī)聚合物材料。液體輔助激光加工具有一定的優(yōu)勢(shì)：（1）激光刻蝕材料所產(chǎn)生的等離子體之間的相互碰撞會(huì)給工作液體提供一個(gè)驅(qū)動(dòng)力，有利于將刻蝕材料所產(chǎn)生的碎屑排出；（2）在液體輔助激光加工的過(guò)程中，激光加工的通道會(huì)與工作液體相互作用產(chǎn)生氣泡，隨著氣泡的形成及塌陷產(chǎn)生的壓力、液流的對(duì)流行為以及沖擊波會(huì)加速碎屑的排出；（3）輔助液體有利于減小材料的氧化和再沉積對(duì)通道的影響，且氣泡的形成及塌陷與液體中產(chǎn)生的更高壓強(qiáng)使得產(chǎn)生的碎屑減小，更容易排出。而此方法的缺點(diǎn)是在特定材料上加工時(shí)，微通道的深度受限于所刻蝕的材料能否順利去除，并且可加工的極限深度低于運(yùn)用激光輔助改性化學(xué)刻蝕深度。2.3激光背向濕式刻蝕的原理激光背向濕式蝕刻加工時(shí)，輔助液體置于基底材料下表面，激光透過(guò)透明材料聚焦在輔助液體與基底材料的接觸面，輔助液體溶質(zhì)吸收激光的能量，從而產(chǎn)生的熱量和溫度從吸收層迅速傳導(dǎo)到液體和工件表面，在高溫的作用下使透明材料軟化、汽化，由于光化學(xué)反應(yīng)的原理，輔助液體會(huì)吸收激光形成金屬氧化物，在溶劑和工件表面聚集形成沉積層，沉積層增強(qiáng)了激光的吸收，最終實(shí)現(xiàn)材料去除。其間會(huì)產(chǎn)生高壓空泡和微射流，所產(chǎn)生的高壓強(qiáng)有利于材料的去除和加工過(guò)程中碎屑的排出。圖2.4（a）激光背向濕式刻蝕原理圖2.4（b）激光背向濕式刻蝕原理激光背向濕式刻蝕通常應(yīng)用于透光率好或者是透明的材料（例如：藍(lán)寶石玻璃和一些聚合物材料，例如PMMA）。激光誘導(dǎo)背向濕式刻蝕技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）激光背向濕式刻蝕有利于在加工過(guò)程中減少通道中的排屑，從而使其重凝沉積少、熱應(yīng)力影響小。（2）激光背向濕式刻蝕基底材料所能達(dá)到的燒燭閾值比激光在空氣中加工低，并且產(chǎn)生的碎屑少，所以加工后工件表面粗糙度低、質(zhì)量好。（3）激光背向濕式刻蝕過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高壓和微射流，有利于材料的去除，降低加工表面的粗糙度，從而改善加工表面質(zhì)量。

3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)裝置3.1實(shí)驗(yàn)材料及其特性本實(shí)驗(yàn)選用亞克力板（PMMA）作為基底材料，尺寸（mm）：100x100x1，選用1mol/L的CuSO4溶液作為輔助液體。以下是對(duì)本實(shí)驗(yàn)所選材料的具體特性闡述并說(shuō)明選用作為激光背向濕式刻蝕聚合物實(shí)驗(yàn)材料的原因。3.1.1PMMA材料特性聚甲基丙烯酸甲酯簡(jiǎn)稱PMMA，俗稱有機(jī)玻璃，具有加工質(zhì)量高，制造加工成本低，大量用于生產(chǎn)、生活以及醫(yī)藥等行業(yè)。它的分子結(jié)構(gòu)如下：甲基丙烯酸甲酯（CH2=CHCOOCH3）通過(guò)加聚反應(yīng)聚合生成PMMA，具有很高的透明度，通常作為玻璃的替代材料，且便于進(jìn)行機(jī)加工。PMMA的密度大約在1.15-1.19g/cm3，PMMA的密度比玻璃低，是玻璃（2.4-2.8g/cm3）的一半。1、物理性能（1）PMMA具有良好的綜合力學(xué)性能。由于PMMA的相對(duì)分子質(zhì)量大約為200萬(wàn)，是長(zhǎng)鏈的高分子聚合物，且其分子鏈具有較強(qiáng)柔軟性，因此PMMA具有比較高的強(qiáng)度，其抗拉伸和抗沖擊的能力是普通玻璃的7-18倍。PMMA經(jīng)過(guò)加熱和拉伸處理過(guò)后，其中的分子鏈排列有序，從而使得材料的韌性顯著提高。通常PMMA拉伸強(qiáng)度可達(dá)到50-77MPa，彎曲強(qiáng)度可達(dá)到90-130MPa，其斷裂伸長(zhǎng)率僅2%-3%，所有PMMA的力學(xué)性能基本屬于硬而脆的材料。（2）PMMA具有較低玻璃化溫度，約130-140℃（265-285°F），比玻璃低很多。PMMA的玻璃轉(zhuǎn)化溫度為大約105℃。（3）PMMA是目前最優(yōu)良的透明高分子材料，透光率達(dá)到92%，比玻璃的透光度高。PMMA能有效過(guò)濾波長(zhǎng)小于300nm的紫外光，但300nm至400nm之間濾除效果較差。在照射紫外光的狀況下，與其它聚合物材料相比，PMMA具有更好的穩(wěn)定性。PMMA允許小于2800nm波長(zhǎng)的紅外光通過(guò)，小于25000nm時(shí)，基本上可被阻擋，總體對(duì)紅外光的吸收性不高。2、化學(xué)性質(zhì)由于PMMA具有較大的支鏈，聚甲基丙烯酸甲酯的黏度較高，因此在使用熱加工方法時(shí)加工速度比較慢，但可以廣泛應(yīng)用于各種加工工藝方式。聚甲基丙烯酸甲酯可耐較稀的無(wú)機(jī)酸，但濃的無(wú)機(jī)酸可侵蝕，可耐堿類，但溫?zé)岬臍溲趸c、氫氧化鉀可浸蝕，可耐鹽類和油脂類，耐脂肪烴類，不溶于水、甲醇、甘油等，但可吸收醇類溶脹，并產(chǎn)生應(yīng)力開裂，不耐酮類、氯代烴和芳烴。聚甲基丙烯酸甲酯對(duì)臭氧和二氧化硫等氣體具有良好的抵抗能。3.1.2輔助液體特性激光誘導(dǎo)背向濕式刻蝕聚合物實(shí)驗(yàn)所用輔助液體為1mol/L硫酸銅溶液。CuSO4溶液是CuSO4·5H2O晶體的水溶液，水溶液顯弱酸性，顏色為藍(lán)色。無(wú)水硫酸銅為白色或灰白色粉末，化學(xué)式CuSO4，從水溶液結(jié)晶生成藍(lán)色的五水硫酸銅晶體，化學(xué)式CuSO4·5H2O，俗稱明礬或膽礬。常溫下，五水硫酸銅的溶解度為25g，在水中溶解時(shí)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)：CuSO4是強(qiáng)電解質(zhì)，能夠自水中完全電離，電離方程式：CuSO4是強(qiáng)酸弱堿鹽，能夠發(fā)生水解反應(yīng)，水解反應(yīng)方程式：硫酸銅發(fā)生水解反應(yīng)因產(chǎn)生氫離子，所以硫酸銅溶液呈弱酸性。硫酸銅溶液相關(guān)性質(zhì)參數(shù)如下表3.1所示：表3.1CuSO4溶液性能參數(shù)物理量數(shù)值密度（kg/m3）約1200熱導(dǎo)率（W/（m·K））0.6比熱容（J/Kg）3800吸收系數(shù)（m-1）約37500通常硫酸銅溶液大量應(yīng)用于鍍銅工藝中，因?yàn)榧す庹丈淞蛩徙~溶液會(huì)使其發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生Cu元素沉積，所以國(guó)內(nèi)外就激光輔助銅沉積進(jìn)行了大量研究?，F(xiàn)如今，激光背向濕式刻蝕技術(shù)引用硫酸銅溶液作為輔助液體來(lái)提高基底材料對(duì)光的吸收，提高刻蝕效率，改善加工質(zhì)量，成為激光刻蝕透明材料的常用的工作液體。使用硫酸銅溶液作為激光背向濕式刻蝕的輔助液體有如下優(yōu)勢(shì)：（1）硫酸銅溶液不易揮發(fā)，無(wú)毒不會(huì)給操作人員身體造成傷害，并且不具有強(qiáng)腐蝕性，故不會(huì)給設(shè)備和操作平臺(tái)產(chǎn)生腐蝕性損害。（2）硫酸銅溶液對(duì)紅外光的吸收率較高，有利于提高對(duì)紅外光能量的吸收，從而可以實(shí)現(xiàn)更加高效的刻蝕加工。（3）由于激光照射硫酸銅溶液會(huì)使其產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)，生成的氧化銅及銅單質(zhì)會(huì)附著在工件表面容易清洗去除，不會(huì)對(duì)工件材料造成破壞。（4）激光刻蝕通道是在液體環(huán)境中，所以有利于降低加工過(guò)程中所產(chǎn)生的高溫。3.2實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)所用激光器是由中山漢通激光設(shè)備有限公司生產(chǎn)的HT-20F多功能可調(diào)脈沖納秒激光器（如圖3.1（a）（b）所示），該激光器是由主機(jī)、加工工作平臺(tái)、冷卻系統(tǒng)、加工主柜和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)五部分組成（如圖3.1（c）所示）。激光波長(zhǎng)為1064nm,激光連續(xù)輸出的最大功率為20W，實(shí)際可加工范圍為100x100mm,加工的最大掃描速度為2000mm/s，激光器主要性能參數(shù)如表3.2所示，由表可知紅外納秒激光器聚焦光斑小，可以實(shí)現(xiàn)精密加工。表3.2納秒激光器性能參數(shù)參數(shù)數(shù)值輸出中心波長(zhǎng)（nm）1064最大輸出功率（W）20脈寬（m）4-200最大重復(fù)頻率（kHz）1000最大掃描速度（mm/s）2000聚焦光斑直徑（μm）50圖3.1（a）HT-20F多功能可調(diào)脈沖納秒激光器圖3.1（b）激光背向濕式刻聚合物實(shí)驗(yàn)搭建圖3.1（c）激光背向濕式刻蝕聚合物實(shí)驗(yàn)示意圖為了測(cè)量激光加工出的通道的深度和寬度以及觀察通道表面質(zhì)量，本實(shí)驗(yàn)還使用了激光共聚焦顯微鏡和掃描電子顯微鏡。其中激光共聚焦顯微鏡是日本奧林巴斯株式會(huì)社生產(chǎn)的OlympusLEXTOLS4000,采用微分干涉、激光微分干涉、激光干涉方式。激光共聚焦是由激光共聚焦測(cè)量器和計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)組成，在測(cè)量樣品時(shí)要墊一個(gè)有一定高度的物塊，以保證樣品處在水平平面，其重心不會(huì)影響測(cè)量的精度，除此之外要注意激光精確對(duì)焦，使激光對(duì)焦到溝道底部，這樣才能保證測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。激光光源為半導(dǎo)體激光，使用白色LED燈進(jìn)行照明，并具有雙共焦系統(tǒng)，可以對(duì)微小領(lǐng)域進(jìn)行高分辨率的觀察、測(cè)量。其相應(yīng)的軟件還具有3D表面形貌模型分析、表面質(zhì)量測(cè)量分析和溝槽結(jié)構(gòu)特征分析測(cè)量的功能。本實(shí)驗(yàn)采用的掃描電子顯微鏡是日立S-3400N-Ⅱ型，該設(shè)備的放大倍數(shù)范圍為5-300000倍，其在3kV低加速電壓時(shí)有10nm的分辨率，可以檢測(cè)并觀察激光誘導(dǎo)背向濕式刻蝕PMMA表面形貌微觀結(jié)構(gòu)。本實(shí)驗(yàn)采用此設(shè)備對(duì)通道的微觀形貌特征和溝槽表面質(zhì)量進(jìn)行觀測(cè)。3.3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法本文是激光背向濕式刻蝕聚合物研究主要包括兩個(gè)部分，分別為背向濕式刻蝕機(jī)理研究和實(shí)驗(yàn)研究。具體研究設(shè)計(jì)思路如下：首先將納秒激光的焦點(diǎn)調(diào)整至CuSO4溶液與PMMA所接觸面以下，使其處于離焦?fàn)顟B(tài)，使激光能夠在PMMA的下表面刻蝕通道，再通過(guò)不斷調(diào)節(jié)激光加工參數(shù)，探尋出能夠加工出微流通道的合理參數(shù)范圍。運(yùn)用控制單一變量法，分別探究激光功率、掃描速度和加工次數(shù)對(duì)微流通道的結(jié)構(gòu)尺寸及質(zhì)量的影響。由于激光背向濕式刻蝕的過(guò)程中，空泡的產(chǎn)生和塌陷會(huì)對(duì)所要刻蝕的溝槽的形貌有影響，在其他條件一定的情況下，要探索出合理的參數(shù)范圍，使得空泡對(duì)溝槽的影響最小，同時(shí)也要找出在一個(gè)參數(shù)區(qū)間，空泡的影響最大。除此而外，還需要注意激光刻蝕聚合物的同時(shí)，聚合物表面的溫度變化對(duì)微流通道的影響，隨著加工次數(shù)或激光聚焦的能量的不斷增大，溫度會(huì)不斷升高，此時(shí)對(duì)所加工的通道形貌影響最明顯，所以在其他條件一定的情況下，要探尋出一個(gè)參數(shù)范圍，溫度的影響最小，同樣要找出一個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)溫度影響最大。還要探究工作液體對(duì)激光背向濕式刻蝕的影響，通過(guò)探究激光照射CuSO4溶液發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理來(lái)闡述CuSO4溶液對(duì)所加工通道的影響。通過(guò)激光共聚焦和顯微鏡的對(duì)溝道結(jié)構(gòu)的測(cè)量以及對(duì)通道表面質(zhì)量觀察，得出以上因素的影響規(guī)律。最后，通過(guò)以上主要的影響因素對(duì)微流通道的影響規(guī)律，得出本文實(shí)驗(yàn)的結(jié)論：在什么樣的影響因素的條件下，加工出的微流通道的結(jié)構(gòu)質(zhì)量最好以及質(zhì)量最差。

4激光背向濕式刻蝕聚合物實(shí)驗(yàn)研究4.1實(shí)驗(yàn)參數(shù)確定和實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備在進(jìn)行激光誘導(dǎo)背向濕式刻蝕聚合物實(shí)驗(yàn)前，要對(duì)所加工的亞克力板（PMMA）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作，即對(duì)樣品進(jìn)行清洗除漬。由于所加工的樣品在運(yùn)輸、儲(chǔ)存和加工的過(guò)程中，空氣中的雜質(zhì)和塵埃顆粒會(huì)附著在樣品上，造成對(duì)樣品表面清潔度的污染，而本實(shí)驗(yàn)對(duì)樣品表面清潔度有著一定的要求，若沒(méi)有對(duì)樣品進(jìn)行清潔處理，激光在刻蝕聚合物時(shí)，雜質(zhì)會(huì)影響激光折射聚焦在樣品與輔助液體接觸界面，除此之外，還會(huì)影響輔助液體對(duì)光的吸收度，從而降低刻蝕效率。實(shí)驗(yàn)后需要同樣的處理工作，否則，在對(duì)樣件進(jìn)行表面形貌和質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)誤差且呈現(xiàn)的效果并不理想。實(shí)驗(yàn)前先用超聲波清洗機(jī)清洗3min，再用去離子水清洗樣件，并自然曬干，實(shí)驗(yàn)后用酒精超聲波清洗機(jī)清洗需要進(jìn)行表面形貌和結(jié)構(gòu)檢測(cè)的樣品5min，之后再用去離子水清洗并自然曬干。至此，完成對(duì)樣品全部的實(shí)驗(yàn)前后處理和準(zhǔn)備工作。在進(jìn)行激光背向濕式刻蝕聚合物實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，激光的加工參數(shù)（例如：激光功率、掃描速度、加工次數(shù)、頻率和脈寬）會(huì)對(duì)通道表面質(zhì)量和結(jié)構(gòu)有著直接影響，除此之外，樣件與輔助液體間的液膜厚度大小也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有著一定的間接影響，并且樣件與輔助液體間的溫度大小、刻蝕過(guò)程產(chǎn)生的空泡及輔助液體的化學(xué)反應(yīng)會(huì)有著間接影響。故本章主要探究了激光平均功率、掃描速度、加工次數(shù)、重復(fù)頻率、脈寬、溫度、空泡和輔助液體對(duì)所刻蝕的微流通道的結(jié)構(gòu)和表面質(zhì)量影響規(guī)律。4.1.1激光平均功率的選擇在激光背向刻蝕的過(guò)程中，激光的平均功率大小直接影響著光化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的Cu和金屬氧化物（CuO）在PMMA表面的沉積的能量大小，同樣對(duì)雖刻蝕的通道結(jié)構(gòu)和表面質(zhì)量起著決定性的作用。保持納秒激光器其余參數(shù)不變（激光重復(fù)頻率f=40kHz、脈沖寬度Q=100ns、掃描速度v=10mm/s和加工次數(shù)N=50次），激光平均功率分別選用10W、12W、14W、16W、18W和20W。激光的平均功率在10W-14W時(shí)，基本沒(méi)有刻蝕出明顯的深度。而激光平均功率大于16W（包括16W）時(shí)，刻蝕出的溝槽深度有明顯變化，并且通道形貌和表質(zhì)量良好，如圖4.1所示。圖4.1激光平均功率為20W時(shí)的微流通道表面結(jié)構(gòu)隨著激光平均功率的增大，激光單脈沖能量增加，作用于材料表面的激光能量逐漸增加，激光與CuSO4溶液相作用而發(fā)生的光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的金屬氧化物沉積增多，因此刻蝕的通道的高度和寬度均增大。4.1.2掃描速度的選擇掃描速度影響單位時(shí)間內(nèi)激光的脈沖個(gè)數(shù)和激光光斑的重疊率大小，從而影響材料對(duì)激光的吸收和加工溝槽表面質(zhì)量的影響。兩連續(xù)的脈沖的間距通常稱為脈沖間距或疊加量U，如圖4.2（a）所示。圖4.2（a）任意兩個(gè)連續(xù)的脈沖的空間分布脈沖間距也可以用公式計(jì)算表示：（4.1）脈沖疊加比的定義如下：（4.2）其中，ω是束腰半徑（μm）。保持納秒激光器其余參數(shù)不變（激光重復(fù)頻率f=40kHz、脈沖寬度Q=100ns、激光平均功率P=20W和加工次數(shù)N=40次），激光掃描速度分別選用5mm/s、10mm/s、15mm/s、20mm/s、25mm/s和30mm/s。通過(guò)激光共聚焦檢測(cè)不同速度的通道形貌和質(zhì)量發(fā)現(xiàn)，掃描速度在大于20mm/s時(shí)，在PMMA上無(wú)法加工出具有明顯深度的溝槽，如圖4.2（b）所示；當(dāng)掃描速度小于15mm/s時(shí)，能夠在PMMA上刻蝕出具有良好質(zhì)量的通道，如圖4.2（c）所示。圖4.2（b）掃描速度為20mm/s的微流通道表面結(jié)構(gòu)圖4.2（c）掃描速度為5mm/s的微流通道表面結(jié)構(gòu)掃描速度大于30mm/s甚至過(guò)大時(shí)，刻蝕通道不連續(xù)且不具有明顯深,如圖4.2（d）所示，由于速度過(guò)大使得所刻蝕材料區(qū)域內(nèi)的單位脈沖數(shù)減少，激光光斑的重疊率變小，同時(shí)打在一點(diǎn)的激光能量減少，所以刻蝕通道不連續(xù)。當(dāng)速度在10mm/s內(nèi)時(shí)，所刻蝕材料區(qū)域內(nèi)的單位脈沖數(shù)增多，激光光斑的重疊率變大，同時(shí)打在一點(diǎn)的激光能量增大，且掃描速度較小時(shí)，激光與CuSO4溶液相作用發(fā)生的光化學(xué)反應(yīng)加強(qiáng)，有利于提高對(duì)紅外光的吸收，從而可以實(shí)現(xiàn)更加高效的刻蝕加工，所以刻蝕通道連續(xù)。圖4.2（d）掃描速度為30mm/s的微流通道表面結(jié)構(gòu)4.1.3重復(fù)頻率的選擇激光的重復(fù)頻率決定激光的單脈沖能量和激光的重疊率，當(dāng)激光重復(fù)頻率較大時(shí)，光斑重疊率隨之變大，激光單脈沖能量變小，能夠在基底材料上刻蝕出連續(xù)的通道，但是激光重復(fù)頻率會(huì)影響激光脈沖間相互干涉情況，激光重復(fù)頻率較大時(shí)，會(huì)使激光脈沖間的干涉增強(qiáng)，使所加工出的溝槽的熱應(yīng)力較大，容易對(duì)通道表面質(zhì)量造成損害。當(dāng)激光重復(fù)頻率變小時(shí)，激光光斑重疊率變小，而單脈沖能量變大，使得在基底材料上刻蝕出不連續(xù)的溝道。因此不同的激光重復(fù)頻率會(huì)對(duì)加工的微流通道的結(jié)構(gòu)和表面質(zhì)量產(chǎn)生不同的影響，故選擇一個(gè)合適頻率參數(shù)就是加工質(zhì)量良好的前提。在通過(guò)實(shí)驗(yàn)的研究和文獻(xiàn)資料的查閱得知，當(dāng)激光的重復(fù)頻率設(shè)置在40kHz-60kHz范圍內(nèi)，隨著激光重復(fù)頻率的增大，激光單脈沖能量減小，光斑的重疊率增大，激光作用于材料表面的單脈沖個(gè)數(shù)增多，從而促使加工過(guò)程中刻蝕效率和材料去除率增大，有利于加工出質(zhì)量高且連續(xù)的微流通道；則相反單位面積內(nèi)的脈沖數(shù)量減少，激光光斑的重復(fù)率變低，使得材料凹槽狀的結(jié)構(gòu)，并且在凹槽底部能看到明顯的圓凹坑，刻蝕出的溝槽呈不連續(xù)的狀態(tài)。當(dāng)激光重復(fù)頻率超過(guò)50kHz時(shí)，雖然激光光斑的重疊率變大，但是激光但脈沖能量減小到一定程度時(shí)，促使加工過(guò)程中刻蝕效率和材料去除率減小，致使所加工出的溝槽的寬度和深度減小，并且通道表面質(zhì)量變差，所以實(shí)驗(yàn)應(yīng)選擇激光重復(fù)頻率在40kHz-50kHz范圍內(nèi)，本實(shí)驗(yàn)選定頻率為40kHz。4.1.4激光脈沖寬度的選擇激光脈沖寬度是指激光功率在一定時(shí)間范圍內(nèi)所持續(xù)的時(shí)間。激光脈沖寬度的變化會(huì)對(duì)微流通道產(chǎn)生一定的影響。脈沖寬度影響著激光加工的劇烈程度，所以隨著激光脈沖寬度的增加，激光刻蝕的劇烈程度越大，熱累積效應(yīng)增強(qiáng)，從而促使加工過(guò)程中刻蝕效率和材料去除率增大，致使所加工溝道的深度和寬度增大。在通過(guò)實(shí)驗(yàn)的研究和文獻(xiàn)資料的查閱得知，激光脈寬在50-100ns的范圍內(nèi)，隨著脈沖寬度的增大，激光作用于材料的時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)生的熱量增大，促使熱作用時(shí)間變長(zhǎng)，熱累積效應(yīng)增強(qiáng)，加工過(guò)程中刻蝕效率和材料去除率增大，使得所刻蝕的微流通道的寬度和深度增大。所以對(duì)于波長(zhǎng)為1064nm的納秒紅外脈沖激光器，脈沖寬度在100ns時(shí)，熱積累效應(yīng)對(duì)加工效率和材料去除效率起主要的作用，故本實(shí)驗(yàn)選用脈沖寬度為100ns。4.1.5加工次數(shù)的選擇激光加工次數(shù)是指激光對(duì)同一個(gè)加工區(qū)域進(jìn)行刻蝕加工的次數(shù)。加工次數(shù)變化對(duì)刻蝕的溝槽的結(jié)構(gòu)和表面質(zhì)量有直接影響，并且對(duì)PMMA材料和CuSO4溶液的溫度變化以及加工過(guò)程中氣泡產(chǎn)生和塌陷有著重要的影響。保持納秒激光器其余參數(shù)不變（激光重復(fù)頻率f=40kHz、脈沖寬度Q=100ns、激光平均功率P=20W、掃描速度v=10mm/s），激光加工次數(shù)分別選用10、20、30、40、50、60、70、80次。通過(guò)激光共聚焦的測(cè)量和高倍顯微鏡對(duì)所刻蝕的通道的結(jié)構(gòu)和表面質(zhì)量的觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加工次數(shù)小于30次時(shí)，不能加工出具有明顯深度的溝道，如圖4.3（a）所示；當(dāng)加工次數(shù)大于60次時(shí)，能夠刻蝕出具有完整形貌的通道，但是，隨著加工次數(shù)的增大，背向刻蝕過(guò)程中氣泡產(chǎn)生劇烈且氣泡塌陷對(duì)通道的影響程度變大，PMMA和CuSO4溶液的溫度升高迅速，出現(xiàn)燒蝕的概率變大，甚至通道被燒蝕破壞成凹坑，如圖4.3（b）（c）所示。圖4.3（c）加工次數(shù)為60次時(shí)微流通道表面結(jié)構(gòu)隨著激光加工次數(shù)的增多，所加工的區(qū)域內(nèi)基底材料和輔助液體對(duì)光吸收的能量增加，熱累積效應(yīng)明顯增強(qiáng)，加工區(qū)域的熱影響變大，從而促使加工過(guò)程中刻蝕效率和材料去除率增大，致使所加工溝道的深度增大，激光加工次數(shù)不會(huì)改變激光光斑的大小和激光單脈沖能量以及單位時(shí)間的脈沖數(shù)，所以刻蝕的溝槽寬度不會(huì)有太大的變化。所以本實(shí)驗(yàn)選擇的加工次數(shù)范圍在30-60次。4.1.6液膜厚度的確定液膜厚度是指聚合物PMMA與輔助液體CuSO4溶液間夾層的厚度，如圖4.4所示。液膜厚度的大小直接影響著激光背向刻蝕時(shí)空泡產(chǎn)生和塌陷對(duì)所加工通道質(zhì)量的影響。在通過(guò)實(shí)驗(yàn)的研究和文獻(xiàn)資料的查閱得知，液膜厚度應(yīng)選擇的范圍在大于1.2，而實(shí)驗(yàn)中的液膜厚度約在1mm左右時(shí)，空泡產(chǎn)生和塌陷的影響最大，而本實(shí)驗(yàn)選擇液膜厚度大約在0.5mm左右，此時(shí)的空泡對(duì)通道質(zhì)量的影響較小，并且所產(chǎn)生的空泡帶來(lái)的壓力和微射流有利于去除加工過(guò)程中所產(chǎn)生的碎屑以及表面的毛刺，并帶走沉積的氧化物，從而提升通道的表面加工質(zhì)量。由于空泡的塌陷產(chǎn)生的逆射流和空泡急速膨脹形成的沖擊波，由于限制層對(duì)其有一定的阻礙作用，所以通過(guò)增強(qiáng)對(duì)加工區(qū)域的沖擊，促使材料的去除效率進(jìn)一步提高，因而液膜厚度選擇在0.5mm左右。圖4.4液膜厚度示意圖4.2激光加工參數(shù)影響激光誘導(dǎo)背向濕式刻蝕聚合物研究實(shí)驗(yàn)主要探究激光的加工參數(shù)對(duì)所刻蝕的通道結(jié)構(gòu)和表面質(zhì)量的影響，其中加工參數(shù)中激光平均功率、激光掃描速度和加工次數(shù)對(duì)微流通道的影響最重要也最明顯，所以本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)探究以上三個(gè)參數(shù)對(duì)微流通道表面質(zhì)量和形貌尺寸的影響。以下對(duì)此做出較為詳實(shí)的敘述說(shuō)明。4.2.1激光功率對(duì)通道結(jié)構(gòu)的影響在保證激光的其他參數(shù)不變的條件小，控制激光平均功率單一變量，來(lái)探究激光功率對(duì)微流通道結(jié)構(gòu)和表面質(zhì)量的影響。納秒激光加工參數(shù)設(shè)定如表4.1所示：表4.1納秒激光加工參數(shù)參數(shù)數(shù)值加工次數(shù)N（次）5掃描速度υ（mm/s）2重復(fù)頻率f（kHz）40脈沖寬度Q（ns）100激光焦距（mm）98注：HT-20F納秒激光的焦距為108mm，表中焦距屬于離焦?fàn)顟B(tài)激光平均功率設(shè)置范圍：12W、14W、16W、18W、20W，如圖4.5（a）（b）所示。微流通道的深度隨著激光的平均功率的增大而增大，呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。這說(shuō)明激光平均功率的增大，使得單脈沖能量的增加，作用在材料表面的激光能量變大，材料去除率加大，刻蝕效率增加，也使得CuSO4溶液的光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的銅氧化物的沉積增多，由于溝槽寬度受激光光斑半徑大小的影響，所以通道的寬度沒(méi)有發(fā)生過(guò)大的變化。如圖4.6所示，激光掃描速度在2mm/s，激光平均功率在20W的時(shí)候，所加工的表面質(zhì)量相對(duì)于比較好。圖4.5（a）origin圖4.5（b）origin圖4.6激光平均功率20W的微流通道表面結(jié)構(gòu)4.2.2掃描速度對(duì)通道結(jié)構(gòu)的影響在保證激光的其他參數(shù)不變的條件小，控制激光掃描速度單一變量，來(lái)探究激光功率對(duì)微流通道結(jié)構(gòu)和表面質(zhì)量的影響。納秒激光加工參數(shù)設(shè)定如表4.2所示：表4.2納秒激光加工參數(shù)參數(shù)數(shù)值加工次數(shù)N（次）5平均功率P（W）20重復(fù)頻率f（kHz）40脈沖寬度Q（ns）100激光焦距（mm）98注：HT-20F納秒激光的焦距為108mm，表中焦距屬于離焦?fàn)顟B(tài)激光掃描速度設(shè)置范圍（mm/s）：2、4、6、8、10，如圖4.7（a）（b）所示。隨著掃描速度的增大，微流通道的寬度和深度在不斷減小，呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。這就說(shuō)明隨著激光掃描速度的不斷增大，單位時(shí)間內(nèi)激光脈沖個(gè)數(shù)減少，激光光斑的重疊率變小，材料表面所加工區(qū)域作用的激光能量減小，材料去除率和刻蝕效率降低，所以刻蝕的溝槽的深度和寬度減小，但表面質(zhì)量提高。如圖4.8所示，激光掃描速度在2mm/s的時(shí)候，所加工的表面質(zhì)量相對(duì)于其他參數(shù)比較好。圖4.7（a）圖4.7（b）圖4.8掃描速度在2mm/s微流通道表面結(jié)構(gòu)4.2.3加工次數(shù)對(duì)通道結(jié)構(gòu)的影響在保證激光的其他參數(shù)不變的條件小，控制激光加工次數(shù)單一變量，來(lái)探究激光功率對(duì)微流通道結(jié)構(gòu)和表面質(zhì)量的影響。納秒激光加工參數(shù)設(shè)定如表4.3所示：表4.3納秒激光加工參數(shù)參數(shù)數(shù)值掃描速度υ（mm/s）2平均功率P（W）20重復(fù)頻率f（kHz）40脈沖寬度Q（ns）100激光焦距（mm）98注：HT-20F納秒激光的焦距為108mm，表中焦距屬于離焦?fàn)顟B(tài)激光加工次數(shù)設(shè)置范圍（次）：2、3、4、5、6、7、8、9、10如圖4.9（a）（b）所示。隨著加工次數(shù)的增大，微流通道的深度不斷增加，呈遞增趨勢(shì)，但在加工次數(shù)在8次之后，通道深度變化不大，增長(zhǎng)緩慢。這說(shuō)明激光加工次數(shù)的不斷增大，所加工的區(qū)域內(nèi)基底材料和輔助液體對(duì)光吸收的能量增加，熱累積效應(yīng)明顯增強(qiáng)，加工區(qū)域的熱影響變大，從而促使加工過(guò)程中刻蝕效率和材料去除率增大，致使所加工溝道的深度增大，激光加工次數(shù)不會(huì)改變激光光斑的大小和激光單脈沖能量以及單位時(shí)間的脈沖數(shù)，所以刻蝕的溝槽寬度不會(huì)有太大的變化。如圖4.10所示，激光加工次數(shù)在6次的時(shí)候，所加工的表面質(zhì)量相對(duì)于其他參數(shù)比較好。4.9（a）4.9（b）圖4.10激光加工次數(shù)為6次的微流通道表面結(jié)構(gòu)4.3輔助液體的影響激光背向濕式刻蝕聚合物的過(guò)程中，激光照射后所加工區(qū)域的溫度會(huì)迅速升高，并且伴隨著大量的空泡的產(chǎn)生和塌陷，以及水蒸氣會(huì)充滿整個(gè)加工區(qū)域，而其中對(duì)于輔助液體CuSO4溶液會(huì)與激光之間相互作用而發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，并伴隨著CuSO4晶體的析出，在高溫650℃的條件下會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)：隨著激光背向刻蝕持續(xù)進(jìn)行，溫度也會(huì)隨之升高，當(dāng)溫度高于650℃時(shí)，SO3會(huì)因高溫而發(fā)生分解反應(yīng)：SO3分解生成SO2和O2，其中氧氣的溶解度最小，會(huì)隨之釋放到空氣中，而生成的SO2的溶解度較大，并且會(huì)與水發(fā)生反應(yīng)生成亞硫酸，而亞硫酸具有較強(qiáng)的還原性，會(huì)與CuSO4溶液發(fā)生一系列的氧化還原反應(yīng)，使硫酸銅溶液中的2價(jià)Cu2+還原至Cu+和Cu單質(zhì)，其中溶液中的部分Cu2+和Cu+會(huì)與之前所生成的氧氣發(fā)生反應(yīng)生成銅的氧化物：CuO和Cu2O，而生成的Cu單質(zhì)與銅的氧化物會(huì)成為沉積物凝結(jié)在通道表面。除此而外，硫酸銅溶液對(duì)紅外光的吸收率較高，有利于提高對(duì)紅外光的吸收，從而可以實(shí)現(xiàn)更加高效的刻蝕加工。4.4溫度的影響激光背向濕式刻蝕的過(guò)程是一個(gè)涉及熱加工的過(guò)程。在激光背向刻蝕聚合物的過(guò)程中，材料和輔助液體會(huì)吸收激光能量，使其熱累計(jì)效應(yīng)不斷增強(qiáng)，加工區(qū)域的熱影響程度不斷變大，致使材料以輔助液體界面溫度迅速升高，從而對(duì)所刻蝕的通道的結(jié)構(gòu)和表面質(zhì)量有直接影響。激光誘導(dǎo)背向濕式刻蝕聚合物的過(guò)程中，激光輻射使得輔助液體CuSO4溶液發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生銅的氧化物沉積層，從而提高對(duì)激光的吸收而獲得更高的能量，使材料表面產(chǎn)生高溫現(xiàn)象。在加工的過(guò)程中激光的光斑直徑遠(yuǎn)大于熱傳導(dǎo)特征尺寸，所以可以采用一維熱傳導(dǎo)來(lái)模擬激光加工過(guò)程中熱累積效應(yīng)的影響。一維熱傳導(dǎo)公式：（4.3）其中溫度T的初始值是環(huán)境溫度T0。材料的溫度擴(kuò)散距離LT和激光的穿透深度DT。激光穿透深度與材料的擴(kuò)散溫度之間的關(guān)系式：（4.4）（4.5）在多介質(zhì)的熱傳導(dǎo)的過(guò)程中，材料的不同屬性和特征，導(dǎo)致熱傳導(dǎo)的過(guò)程也不相同。在激光誘導(dǎo)背向濕式刻蝕聚合物的過(guò)程中，由于聚合物PMMA對(duì)波長(zhǎng)為1064nm的紅外光的吸收不高，而CuSO4溶液對(duì)紅外光的吸收率很高，所以激光通過(guò)誘導(dǎo)硫酸銅溶液在固液接觸面產(chǎn)生沉積層，從而提高對(duì)激光的吸收而獲得更高的能量，使材料表面產(chǎn)生高溫，進(jìn)而提高激光對(duì)聚合物PMMA刻蝕效率。4.5空泡產(chǎn)生和塌陷的影響在激光背向濕式刻蝕聚合物過(guò)程中，伴隨著空泡的產(chǎn)生和塌陷，并帶來(lái)一定的壓力和微射流，有利于激光加工過(guò)程中碎屑的排出。激光與液體的相互作用產(chǎn)生的空泡現(xiàn)象是一個(gè)復(fù)雜的物理過(guò)程，通過(guò)空泡膨脹和塌陷與周圍液體的進(jìn)行能量交換。在激光背向濕式刻蝕的過(guò)程中，激光透過(guò)透明材料聚焦到液體所加工區(qū)域，使得液體屬性發(fā)生劇烈變化從而引起空泡。由產(chǎn)生機(jī)制的不同，空泡可分為蒸汽空泡和等離子空泡。除了液體自身屬性和激光加工參數(shù)對(duì)空泡的變化產(chǎn)生影響外，還受到空間大小和材料與輔助液體交界面的特性的影響。研究空泡半徑變化的數(shù)值模型如下：（4.6）其中PB（t）和P（t）代表空泡的內(nèi)外壓強(qiáng)，ρ代表輔助液體的密度，R為空泡半徑，?和?分別是R的加速度和變化速率，υ代表液體運(yùn)動(dòng)粘度，σ代表空泡張力。液體粘度和表面張力會(huì)阻礙空泡膨脹，使得空泡直徑減小，而液體表面張力會(huì)促使空泡塌陷。同時(shí)液體溫度影響液體的粘度和張力，溫度越高，液體的粘度和表面張力越小，使得空泡膨脹，脈動(dòng)周期延長(zhǎng)。隨著激光刻蝕過(guò)程中，熱累積效應(yīng)增強(qiáng)，熱影響區(qū)域變大，致使材料以輔助液體界面溫度迅速升高，從而使得材料發(fā)生彈性變形，通過(guò)與周圍液體的能量轉(zhuǎn)化，阻礙空泡半徑增大；材料在恢復(fù)彈性形變時(shí)，加速空泡的塌陷。4.6焦距變化對(duì)背向刻蝕的影響激光焦距是指激光到所加工區(qū)域表面的距離。HT-20F型1064nm納秒激光器的焦距是108.11mm，而本實(shí)驗(yàn)激光背向濕式刻蝕聚合物實(shí)驗(yàn)設(shè)定的激光焦距為98.11mm，所以主要是處于激光離焦?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。由于聚合物PMMA對(duì)紅外光的吸收不是很好，并且通過(guò)進(jìn)過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)試發(fā)現(xiàn)在原本的激光焦距是很難實(shí)現(xiàn)背向刻蝕，或是刻蝕出表面質(zhì)量好的微流通道，所以本實(shí)驗(yàn)在探究過(guò)程中將激光焦點(diǎn)下移，即通過(guò)減小焦距來(lái)實(shí)現(xiàn)背向刻蝕。為了探究不同激光焦距的條件下，背向濕式刻蝕的溝槽的表面結(jié)構(gòu)和形貌的變化情況，同時(shí)為了使實(shí)驗(yàn)更加完善和完整，需要增加一個(gè)焦距變化對(duì)背向刻蝕影響的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，來(lái)說(shuō)明在不同激光焦距下對(duì)所加工溝槽結(jié)構(gòu)和表面質(zhì)量的影響。納秒激光加工參數(shù)設(shè)定如表4.4所示：表4.4納秒激光加工參數(shù)參數(shù)數(shù)值加工次數(shù)N（次）4平均功率P（W）20重復(fù)頻率f（kHz）40脈沖寬度Q（ns）100掃描速度υ（mm/s）2本實(shí)驗(yàn)激光焦距設(shè)定從在能夠?qū)崿F(xiàn)背向刻蝕起，通過(guò)焦距每增加1mm，來(lái)研究所刻蝕通道表面質(zhì)量和形貌。所以激光焦距設(shè)定的范圍（mm）：100、99、98、97、96。如圖4.11（a）（b）（c）（d）（e）分別對(duì)應(yīng)所設(shè)定的激光焦距值。通過(guò)顯微鏡觀察的通道表面形貌可以發(fā)現(xiàn)，隨著激光焦距的不斷減小，即激光焦點(diǎn)的不斷下移，背向刻蝕的通道深度逐漸減小直至不能加工出有明顯形貌的微流通道，呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。隨著激光焦點(diǎn)的不斷下移，焦距不斷減小，所加工區(qū)域的激光光斑變大，單脈沖能量減小，激光所照射的區(qū)域能量減小，對(duì)聚合物燒蝕的幾率大大降低，并且在低速的情況下，激光光斑的重疊率增大，單位時(shí)間的脈沖個(gè)數(shù)增加，材料去除率和刻蝕效率提高，能夠加工出連續(xù)且具有一定深度的微流通道。而激光在聚集的狀況下情況，不能實(shí)現(xiàn)背向刻蝕，會(huì)出現(xiàn)正向刻蝕的現(xiàn)象并且在提高一定范圍的激光能量，會(huì)在正面和背面同時(shí)刻蝕，并且在正面刻蝕會(huì)很容易達(dá)到聚合物PMMA的燒蝕閾值，通道燒蝕碳化物在通道內(nèi)形成凸起將其堵塞，如圖4.12所示。因?yàn)樵诰酆衔颬MMA刻蝕通道所需要的能量很小，而納秒激光器加工的能量很大，極易達(dá)到其燒蝕閾值，出現(xiàn)燒蝕碳化的現(xiàn)象，所以就會(huì)出現(xiàn)在PMMA正面刻蝕的現(xiàn)象，同時(shí)也進(jìn)一步說(shuō)明聚合物PMMA對(duì)紅外光的吸收性很差。圖4.12激光聚焦?fàn)顟B(tài)（焦距為108.77mm）的微流通道表面質(zhì)量

結(jié)論本文通過(guò)探究激光背向濕式刻蝕聚合物PMMA得出以下結(jié)論：（1）激光背向濕式刻蝕聚合物實(shí)驗(yàn)需要在離焦的狀態(tài)下進(jìn)行，在激光聚焦的情況下很難實(shí)現(xiàn)背向刻蝕，或是刻蝕出表面質(zhì)量好或是具有連續(xù)性的微流通道。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)的探究發(fā)現(xiàn)激光焦距設(shè)定在98mm左右，所刻蝕出的溝槽表面質(zhì)量高且具有連續(xù)性。（2）本實(shí)驗(yàn)探究激光功率大小變化對(duì)微流通道的結(jié)構(gòu)和表面質(zhì)量的影響。在離焦的狀態(tài)下，保持激光其他加工參數(shù)不變的前提下，發(fā)現(xiàn)激光功率在20W的時(shí)候所加工的微流通道具有明顯的深度且表面質(zhì)量較好，沒(méi)有出現(xiàn)燒蝕碳化現(xiàn)象。（3）本實(shí)驗(yàn)探究激光掃描速度大小變化對(duì)微流通道的結(jié)構(gòu)和表面形貌的影響。在離焦的狀態(tài)下，保持激光其他加工參數(shù)不變的前提下，發(fā)現(xiàn)激光掃描速度在10mm/s范圍內(nèi)更容易刻蝕出具有明顯深度的溝道，掃描速度在2mm/s時(shí)所加工的溝槽表面質(zhì)量較高，且沒(méi)有出現(xiàn)燒蝕碳化現(xiàn)象。隨著掃描速度的不斷增大，刻蝕出的溝道不具有明顯的深度且表面質(zhì)量不高。（4）本實(shí)驗(yàn)探究激光加工次數(shù)大小變化對(duì)微流通道的形貌和表面質(zhì)量的影響。在離焦的狀態(tài)下，保持激光其他加工參數(shù)不變的前提下，速度設(shè)定在2mm/s時(shí)發(fā)現(xiàn)激光加工次數(shù)在4-7次更容易刻蝕出具有明顯深度的溝道，加工次數(shù)在6次時(shí)刻蝕微流通道表面質(zhì)量較高，且沒(méi)有出現(xiàn)燒蝕碳化現(xiàn)象，隨著加工次數(shù)增大極易達(dá)到PMMA燒蝕閾值。（5）本實(shí)驗(yàn)對(duì)激光重復(fù)頻率和脈沖寬度的大小選擇進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)。在離焦?fàn)顟B(tài)下，保持激光其他加工參數(shù)不變的前提下，發(fā)現(xiàn)激光重復(fù)頻率在40kHz，脈沖寬度在100ns時(shí)，激光單脈沖作用時(shí)間長(zhǎng)，且激光光斑重疊率大，材料去除率和刻蝕效率較高，能夠加工出具有明顯深度的溝道且表面質(zhì)量較高，不易出現(xiàn)燒蝕碳化現(xiàn)象。

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